三点弯曲试验

20世紀40年代彎曲試驗機测试混凝土樣本

萬能試驗機夹具测试三點彎曲試驗

三點彎曲试验可测彎曲彈性模量$E_f$、弯曲应力${\sigma }_f$、弯曲应变${ϵ}_f$以及材料的彎曲應力-應變響應状态。 試驗可進行在配备有三點或四點彎曲夾具的萬能試驗機（拉力試驗機或拉伸試驗機）上。 三點彎曲測試优点在于樣品易于製備和測試，其缺点在于測試方法對試樣和加載幾何形狀以及應變率较为敏感。

测试方法

通常用萬能試驗機上指定的測試夾具進行測試。 測試準備、調節和实践細節會影響測試結果。 樣本放置于兩個相距一定距離的支撐銷上。

彎曲應力${\sigma }_f$的計算方法：

对于矩形横截面的样品：${\sigma }_f=\frac{3FL}{2b{d}^2}$

对于圆形横截面的样品：${\sigma }_f=\frac{FL}{\pi R^3}$

弯曲应变${ϵ}_f$的计算方法：

${ϵ}_f=\frac{6Dd}{L^2}$

弯曲模量$E_f$的计算方法：

$E_f=\frac{L^{3}m}{4b{d}^3}$

其中：

• ${\sigma }_f$：斷裂模量，表示使樣品斷裂所需的應力，（MPa）
• ${ϵ}_f$：外表面應變，（mm/mm）
• $E_f$：彎曲彈性模量，（MPa）
• $F$：載重撓度曲線上給定點的載重，（N）
• $L$：支撐跨度，（mm）
• $b$：測試梁寬度，（mm）
• $d$：被測樑的深度或厚度，（mm）
• $D$：梁中心的最大撓度，（mm）
• $m$：載重撓度曲線初始直線部分的斜率，（N/mm）
• $R$：横梁半径，（mm）

断裂韧性测试

用於斷裂韌性測試的單邊缺口彎曲試樣（也稱為三點彎曲試樣）。

樣品的斷裂韌性可用三點彎曲試驗確定，單邊缺口彎曲试样裂紋尖端的應力強度因子為：

$\begin{array}{cc}{K}_{\mathrm{I}}& =\frac{4P}{B}\sqrt{\frac{\pi }{W}}[1.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^{1/2}-2.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^{3/2}+12.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^{5/2}\\ & -21.2{\left(\frac{a}{W}\right)}^{7/2}+21.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^{9/2}]\end{array}$

其中，$P$是施加的載荷，$B$是试样厚度，$a$是裂紋長度，$W$是试样寬度。 在三點彎曲試驗中，循環負荷會在缺口尖端產生疲勞裂縫。 測量裂紋的長度。 然後放好试样，载荷與裂紋蔓延位移的關係圖可用於確定裂紋開始擴展時的載重。 將此載重代入上述公式即可求出斷裂韌性$K_{Ic}$。

ASTM D5045-14和E1290-08標準中的关系为：

$K_{\mathrm{I}}=\frac{6P}{BW}{a}^{1/2}Y$

其中

$Y=\frac{1.99-a/W(1-a/W)(2.15-3.93a/W+2.7(a/W{)}^2)}{(1+2a/W)(1-a/W{)}^{3/2}}.$

裂纹长度小于0.6$W$时，ASTM和Bower方程对$K_{\mathrm{I}}$的预测值几乎相同。

标准

• ISO 12135：金屬材料。 確定準靜態斷裂韌性的統一方法。
• ISO 12737：金屬材料。 平面應變斷裂韌性的測定。
• ISO 178：塑膠－彎曲性能的測定。
• ASTM C293：混凝土抗彎強度的標準試驗方法（使用中心點載重的簡單梁）。
• ASTM D790：非增強和增強塑膠和電絕緣材料彎曲性能的標準測試方法。
• ASTM E1290：裂紋尖端張開位移 (CTOD) 斷裂韌性測量的標準測試方法。
• ASTM D7264：聚合物基複合材料彎曲性能的標準測試方法。
• ASTM D5045：塑膠材質平面應變斷裂韌性與應變能量釋放率的標準測試方法。

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